基于熱電氣聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的壓縮空氣吹渣系統(tǒng)性能研究

龔俊，李凱，章平衡，王嵩聳，孫堅(jiān)

（嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

生物質(zhì)鍋爐采用的燃料中經(jīng)常包含大量異物（泥沙、石塊及鐵塊等），其進(jìn)入爐膛后難以燃燒，將隨著爐渣經(jīng)落渣管向外排出。然而，大塊異物的存在常常會(huì)造成落渣管發(fā)生堵塞。落渣管一旦堵塞，鍋爐冷渣器失去排渣能力，此時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員進(jìn)行人工疏通。作業(yè)過程中，不僅造成環(huán)境污染與熱量損失，而且高溫的爐渣容易燙傷工作人員，存在安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可能撕裂與其相連的水冷壁，致使被迫停爐。因此，落渣管堵塞已對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。

壓縮空氣具有超高壓力，釋放時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，能夠有效吹走落渣管內(nèi)堵塞的灰渣。同時(shí)，壓縮空氣的釋放可通過電動(dòng)閥門遠(yuǎn)程操作，保證了運(yùn)行人員的安全。因此，空氣炮技術(shù)在清堵吹灰領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。王曉琴等針對(duì)煤倉(cāng)堵塞現(xiàn)象，通過增設(shè)空氣炮利用0.4～0.8MPa的壓縮空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波，使黏連的煤料再次恢復(fù)重力流動(dòng)。使用記錄表明：引起空氣壓力波動(dòng)最大值為0.1MPa，就地壓力一般在5～6s即可恢復(fù)到0.4MPa的正常壓力。金永飛等建立空氣炮噴爆的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值模擬手段研究初始?jí)毫?duì)煤倉(cāng)清堵堵過程的影響。分析結(jié)果表明，初始?jí)毫υ礁?，空氣炮產(chǎn)生的沖擊力越大，清堵效果越好。當(dāng)初始?jí)毫?.8MPa時(shí)，清堵效果最佳。蘇紅星等開展了空氣炮的優(yōu)化研究，所得結(jié)論為：增加炮管長(zhǎng)度可以有效減小壓縮空氣的初始?jí)毫腕w積，從而降低發(fā)射成本，提高系統(tǒng)的安全性。朱建安等針對(duì)不同充氣壓力開展了噴爆過程的試驗(yàn)研究，通過空氣炮沖擊力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得出了空氣炮噴爆達(dá)到最大沖量時(shí)的充氣參數(shù)。當(dāng)充氣壓力為0.6MPa時(shí)，空氣炮的噴爆狀態(tài)比較理想，能夠得到較好的清堵效果。

然而，壓縮空氣發(fā)生裝置的安裝使用需要一定的成本投入，并且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。熱電氣聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，使用汽輪機(jī)排汽帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣供用戶使用。因此，可從壓縮空氣供給管路中接出分路用于落渣管的吹渣。基于上述思路，設(shè)計(jì)了新型落渣管吹渣系統(tǒng)，其具有節(jié)約成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)以及安全運(yùn)行的特點(diǎn)。同時(shí)，通過數(shù)值模擬研究了吹渣系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，分析了初始?jí)毫εc流通管徑對(duì)吹渣性能的影響規(guī)律。

2 吹渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在熱電氣聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)排汽的一部分通過供熱管道供用戶使用，另一部分帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣供用戶使用。帶有較高壓力的壓縮空氣可作為吹渣過程的起源，因此，從壓縮空氣供氣母管引出一路接至高壓儲(chǔ)氣罐。鍋爐排渣在爐渣管內(nèi)發(fā)生堵塞時(shí)，開啟儲(chǔ)氣罐出口的電動(dòng)球閥使壓縮空氣通入爐渣管內(nèi)。此時(shí)，關(guān)閉落渣管底部的電動(dòng)閘閥，防止壓力的損失以及對(duì)下游冷渣機(jī)的損傷。壓縮空氣產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊可使堵塞的灰渣被吹走，進(jìn)而疏通爐渣管。完成后，關(guān)閉儲(chǔ)氣罐出口的電動(dòng)球閥，使壓縮空氣再次充滿高壓儲(chǔ)氣罐，準(zhǔn)備下一次的吹灰；打開落渣管底部的電動(dòng)閘閥，灰渣順利落入冷渣機(jī)進(jìn)行冷卻（圖1）。

圖1 基于熱電氣聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的壓縮空氣吹渣系統(tǒng)

3 計(jì)算模型與數(shù)值方法

選取高壓儲(chǔ)氣罐至落渣管段進(jìn)行數(shù)值模擬，壓縮空氣通過管道進(jìn)入落渣管的流動(dòng)過程采用ANSYS FLUENT 17.2進(jìn)行瞬態(tài)模擬。采用GAMBIT軟件對(duì)圖2所示的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，高壓儲(chǔ)氣罐與落渣管的連接管采用直徑50～90mm的鋼管，壓縮空氣初始?jí)毫?.4～0.8MPa，落渣管直徑為259mm。

圖2 計(jì)算區(qū)域示意圖

啟用因適量計(jì)算負(fù)荷而廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)?？諝舛x為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；通過Patch功能設(shè)置壓縮空氣的初始?jí)毫?。假設(shè)落渣管頂部出現(xiàn)堵渣，出口定義為壁面。假設(shè)空氣膨脹過程為絕熱過程，因此，壁面條件采用絕熱壁面。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。除了k-ε湍流方程采用一階迎風(fēng)格式，其余控制方程的空間離散均采用二階迎風(fēng)格式。

以文獻(xiàn)中[16]的空氣炮噴射試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，其中空氣炮高壓體積室體積為100L，炮管直徑為78mm，炮管長(zhǎng)度為800mm。高壓空氣室的初始?jí)毫?.9MPa，空氣炮發(fā)射后，在其9m處開始布置風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，間隔為0.2m。空氣流速的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比如圖3所示。相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的射流速度與計(jì)算值基本吻合，平均誤差為8.6%；最大誤差發(fā)生在9.8m處，誤差為12.5%。由此認(rèn)為，本文采用的數(shù)值模擬方法具有較好的準(zhǔn)確性。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式結(jié)果對(duì)比

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 初始?jí)毫?/h3>

當(dāng)吹渣閥門啟動(dòng)后，帶有初始?jí)毫Φ膲嚎s空氣經(jīng)連接管高速流入落渣管內(nèi)，此時(shí)，落渣管堵灰處的壓強(qiáng)逐漸升高。圖4為落渣管堵渣處壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化。由圖可知，落渣管堵灰處在149ms時(shí)壓強(qiáng)達(dá)到最大，為238231Pa。隨后，壓強(qiáng)有所下降，并保持小幅波動(dòng)。這是因?yàn)殡S著壓縮空氣的釋放，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力逐漸減小，空氣流動(dòng)的推進(jìn)力減弱。由于壓縮空氣入口下方留有一段空間，該區(qū)域形成低壓區(qū)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力不足以維持空氣的推進(jìn)時(shí)，落渣管上部空氣流向下部低壓而使吹渣壓強(qiáng)有所降低。落渣管內(nèi)壓力有所降低后，壓縮空氣再次被推進(jìn)落渣管使吹渣壓強(qiáng)有所增強(qiáng)。如此往復(fù)，便形成了最渣壓強(qiáng)的小幅波動(dòng)。

圖4 落渣管堵渣處壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化（0.5MPa，70mm管徑）

圖5 為不同初始?jí)毫ο碌淖畲蟠翟鼔簭?qiáng)。從圖5中可以看到，隨著初始?jí)毫Φ脑黾?，堵灰處的最大吹渣壓?qiáng)不斷升高。當(dāng)初始?jí)毫?.4MPa時(shí)，最大吹渣壓強(qiáng)為191427Pa（約0.19MPa）；而當(dāng)初始?jí)毫?.8MPa時(shí)，最大吹渣壓強(qiáng)達(dá)到378970Pa（約0.37MPa）。因此，初始?jí)毫υ酱?，系統(tǒng)吹渣能力越強(qiáng)。然而，初始?jí)毫υ酱?，壓縮空氣的壓力損失也越大。相比0.4MPa初始?jí)毫Φ墓r，0.8MPa初始?jí)毫ο?，壓力損失額外增加3833Pa。壓力損失的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降。

圖5 不同初始?jí)毫ο碌淖畲蟠翟鼔簭?qiáng)

4.2 流通管徑

前文提到，壓縮空氣閥門開啟后，落渣管堵灰處的壓強(qiáng)隨著時(shí)間逐漸升高。圖6所示的不同時(shí)刻下落渣管內(nèi)的壓強(qiáng)分布再次展示了這一現(xiàn)象。根據(jù)圖6，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，落渣管內(nèi)的壓強(qiáng)不斷升高。在30ms時(shí)，堵渣處最大吹渣壓強(qiáng)僅為68147Pa；當(dāng)時(shí)間為150ms時(shí)，堵渣處最大吹渣壓強(qiáng)上升至238226Pa。因此，壓縮空氣閥門開啟后，堵灰將在極短的時(shí)間內(nèi)受到強(qiáng)大沖擊而被清除。在同一時(shí)刻，落渣管內(nèi)的壓力基本呈現(xiàn)從下往上逐漸增大的分布。這印證了上文所述的低壓區(qū)域分布情況，也是后期壓力波動(dòng)的主要原因。

圖6 不同時(shí)刻下落渣管內(nèi)的壓強(qiáng)分布（0.5MPa，70mm管徑）

圖7 為不同管徑下的最大吹渣壓強(qiáng)。由圖可知，連接管管徑在50～90mm范圍內(nèi)變化時(shí)，堵灰處最大吹渣壓強(qiáng)略有波動(dòng)，但幅度較小。80mm管徑條件下吹渣壓強(qiáng)極大值240078Pa與90mm管徑條件下吹渣壓強(qiáng)極小值236321Pa，僅相差1.6%。因此，在50～90mm范圍內(nèi)管徑對(duì)最大吹渣壓強(qiáng)的影響很小。產(chǎn)生上述變化的原因在于，沿程阻力與局部阻力變化趨勢(shì)的不同。小管徑下，局部阻力較小，而壓縮空氣流速較大導(dǎo)致沿程阻力較高。管徑增大，沿程阻力減小，吹渣壓強(qiáng)降低。當(dāng)管徑進(jìn)一步增大，局部阻力的增加占據(jù)主導(dǎo)，吹渣壓強(qiáng)升高。在此基礎(chǔ)上，管徑再增大時(shí)，壓縮空氣流速明顯降低，沿程阻力的降低占據(jù)主導(dǎo)，吹渣壓強(qiáng)再次降低。

圖7 不同管徑下的最大吹渣壓強(qiáng)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了具有節(jié)約成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)以及安全運(yùn)行特性的新型落渣管吹渣系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬理論分析了初始?jí)毫εc流通管徑對(duì)吹渣性能的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下：

（1）新型落渣管吹渣系統(tǒng)啟動(dòng)后，堵灰將在極短時(shí)間內(nèi)受到壓縮空氣的強(qiáng)大沖擊，隨后將持續(xù)受到小幅波動(dòng)的高壓強(qiáng)空氣推力。

（2）初始?jí)毫υ酱?，系統(tǒng)吹渣能力越強(qiáng)；但是，壓縮空氣的壓力損失也越大。初始?jí)毫?.8MPa時(shí)，最大吹渣壓強(qiáng)可達(dá)0.37Mpa。

（3）在50～90mm范圍內(nèi)，流通管徑對(duì)吹渣壓強(qiáng)的影響很??；80mm管徑條件下吹渣壓強(qiáng)最大，90mm管徑條件下吹渣壓強(qiáng)最小，兩者僅相差1.6%。